兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法技术

本发明专利技术涉及一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法，超结构用于异质结构的连接，包括多级微结构；每一级微结构包括多个微结构单元；所述多级微结构由外向内分布，各级微结构具有自相似特征每级微结构在面内形成的包络线与异质结构的面内外形轮廓线均具有几何相似关系。基于本发明专利技术提供的超结构，在温度变化时的翘曲变形接近于零，而且具有高的一阶共振频率的特性，满足航天器结构在轨尺寸稳定性和发射高刚度的使用要求。

Superstructure with High Resonance Frequency and Zero Warpage of Thermal Mismatch and Its Determining Method

【技术实现步骤摘要】
兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法
本专利技术涉及航天器高精度有效载荷与航天器结构之间的连接结构，尤其涉及异质结构的热失配变形释放结构中，兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法。
技术介绍
合成孔径雷达、光学相机、星敏感器等有效载荷是航天器实现天基定标与测量、空间科学与探测等功能的主要手段，其在空间轨道运行时，受太阳照射角度的影响，温度会在一定范围内变化。为了实现高分辨率测量、成像与监视，高性能有效载荷对航天器结构的热变形提出了苛刻的要求。有效载荷与航天器结构选材往往不同，构成异质结构，在温度变化时，由于两种材料的热变形不匹配，将产生翘曲变形，影响微波或光学遥感成像精度，或者影响天线指向精度。为了降低热变形，现有技术一般从材料和结构两个尺度进行设计：在材料尺度通过合金材料或复合材料技术实现热变形近零膨胀；在结构尺度通过结构设计实现热变形相互抵消或者热变形柔性释放。然而，现有材料尺度的技术方案，导致材料脆性、高密度、各向异性或者制造工艺复杂等缺点，而现有结构尺度的技术方案，存在结构固有频率过低，无法满足火箭发射对航天器结构最小固有频率要求，尤其是对于近百公斤量级或更重的有效载荷，还需要设计额外的压紧机构，用于提高发射时的固有频率，但压紧机构大大增加了结构重量成本，压紧机构的引入还导致系统可靠性降低。
技术实现思路
为至少在一定程度上克服现有技术中的上述问题，本专利技术提供一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法，基于本专利技术提供的超结构，在温度变化时的翘曲变形接近于零，而且具有高的一阶共振频率的特性，满足航天器结构在轨尺寸稳定性和发射高刚度的使用要求。第一方面，本专利技术提出了一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构确定方法，该超结构用于异质结构中待连接结构的连接，包括：多级微结构；每一级微结构包括多个微结构单元；所述多级微结构由外向内分布，各级微结构具有自相似特征每级微结构在面内形成的包络线与异质结构的面内外形轮廓线均具有几何相似关系，该超结构确定方法包括如下步骤：：步骤1)、建立有限元分析模型，所述有限元分析模型为包括第一结构板、第二结构板，以及刚性连接于所述第一结构板和所述第二结构板之间的超结构的模型；在该模型中，所述第二结构板与有效载荷刚性连接；其中，第一结构板的材料热膨胀系数为α1，第二结构板的材料热膨胀系数为α2，且α1≥α2；第一结构板和第二结构板在面内方向的内切圆直径分别记为D1和D2，且Dmin＝Min(D1,D2)；所述超结构中，微结构单元厚度的初始设计值为：t1＝Min(3Dmin/1000，d)，d为预先设定的厚度；微结构单元宽度和高度的比值预先设定为w＝t1/0.075，h＝t1/0.015；微结构单元相邻环向间距dθ＝1.25w；微结构单元径向层级数的初始设计值n1＝10；步骤2)、根据超结构使用时的位移约束情况，施加位移边界条件，进行模态计算，获得一阶固有频率f1；步骤3)、根据在轨温度工况，施加温度场载荷，进行惯性释放设置，进行热变形计算，获得第二结构板的法向翘曲变形v1；步骤4)、将模态计算结果和热变形计算结果分别与一阶固有频率约束值f0和结构翘曲约束值v0进行比较，若f1>f0，且v1<v0，则超结构设计参数满足使用需求，超结构的构型设计方案完成；否则，进行步骤i、j或k；i.若f1≤f0，且v1<v0，则增大微结构单元厚度，按t2＝1.1t1，t3＝1.1t2，...进行迭代，直至满足f1>f0，且v1<v0；否则，进行步骤k；j.若f1>f0，且v1≥v0，则减小微结构单元厚度，按t2＝0.9t1，t3＝0.9t2，...进行迭代，直至满足f1>f0，且v1<v0；否则，进行步骤k；k，增大微结构单元层级数量，按n2＝n1+1，n3＝n2+1，...进行迭代，直至f1>1.3f0或1.5f0，然后减小微结构单元厚度，按t2＝0.9t1、t3＝0.9t2进行迭代，直至满足f1>f0，且v1<v0。优选地，上述超结构确定方法中，d＝0.3mm。第二方面，本专利技术还提供了一种根据上述超结构确定方法确定的超结构。优选地，上述超结构中，在所述微结构中，所述多个微结构单元的最小刚度方向沿着热变形方向排布。优选地，上述超结构中，所述每级微结构在面内形成的包络线形状为三角形、矩形、六边形、梯形、平行四边形或圆形。第三方面，本专利技术还提供了一种异质结构，包括：第一结构板，第二结构板；刚性连接于所述第一结构板和所述第二结构板之间的如上所述的超结构；所述第二结构板还与有效载荷刚性连接；所述第一结构板的膨胀系数大于所述第二结构板的膨胀系数。进一步地，上述异质结构中，所述第一结构板为第一合金板；所述第二结构板为第二合金板。进一步地，上述异质结构中，所述第一合金板为铝合金；所述第二合金板为因瓦合金。本专利技术与现有技术相比的优点在于：通过具有多层级微结构单元的超结构设计，实现了振动高刚度和热失配变形近零翘曲，其一阶固有频率和热变形翘曲量能够满足大多数卫星等航天器有效载荷与结构连接的使用需要，体现在如下三个方面：1)通过对微结构单元厚度在1个量级的调节，实现了结构翘曲变形在3个量级的调控，即当微结构单元厚度在1.1mm～0.1mm范围调节时，可实现法向翘曲变形从134.4μm至0.1μm范围的调控；2)本专利技术实现了一阶固有频率从100Hz至26Hz的调控，能够满足常见有效载荷对热失配翘曲变形和运载火箭发射段结构一阶固有频率的要求；3)本专利技术实现了热失配应力均低于50MPa，远小于铝合金材料的屈服强度160MPa，不存在热失配强度失效风险。本专利技术中的超结构可通过金属粉末的激光选区熔化成形工艺进行制备，因为具有内部开放的几何特性，能够保证未成形粉末在后处理阶段易于清除，具有增材制造一体化成形和便于后处理的工艺优势。该超结构设计方法能够满足航天器雷达、相机和天线等有效载荷与航天器结构之间连接结构设计需要，具有良好的应用前景。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本专利技术。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1为本专利技术兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构实施例中，微结构单元示意图；图2为本专利技术兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构实施例中，微结构单元多层级自相似布局示意图；图3为本专利技术异质结构及其连接关系示意图；图4为本专利技术热失配翘曲变形与微结构单元厚度之间的关系；图5为本专利技术一阶固有频率与微结构单元厚度之间的关系；图6为本专利技术热失配应力与微结构单元厚度之间的关系；图7为本专利技术兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构确定方法实施例的步骤流程图。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本专利技术的示例性实施例的目的。但是本专利技术可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构确定方法，其特征在于，该超结构用于异质结构中待连接结构的连接，包括：多级微结构；每一级微结构包括多个微结构单元；所述多级微结构由外向内分布，各级微结构具有自相似特征每级微结构在面内形成的包络线与异质结构的面内外形轮廓线均具有几何相似关系，该超结构确定方法包括如下步骤：步骤1)、建立有限元分析模型，所述有限元分析模型为包括第一结构板、第二结构板，以及刚性连接于所述第一结构板和所述第二结构板之间的超结构的模型；在该模型中，所述第二结构板与有效载荷刚性连接；其中，第一结构板的材料热膨胀系数为α1，第二结构板的材料热膨胀系数为α2，且α1≥α2；第一结构板和第二结构板在面内方向的内切圆直径分别记为D1和D2，且Dmin＝Min(D1,D2)；所述超结构中，微结构单元厚度的初始设计值为：t1＝Min(3Dmin/1000，d)，d为预先设定的厚度；微结构单元宽度和高度预先设定为w＝t1/0.075，h＝t1/0.015；微结构单元相邻环向间距dθ＝1.25w；微结构单元径向层级数的初始设计值n1＝10；步骤2)、根据超结构使用时的位移约束情况，施加位移边界条件，进行模态计算，获得一阶固有频率f1；步骤3)、根据在轨温度工况，施加温度场载荷，进行惯性释放设置，进行热变形计算，获得第二结构板的法向翘曲变形v1；步骤4)、将模态计算结果和热变形计算结果分别与一阶固有频率约束值f0和结构翘曲约束值v0进行比较，若f1>f0，且v1<v0，则超结构设计参数满足使用需求，超结构的构型设计方案完成；否则，进行步骤i、j或k；i.若f1≤f0，且v1<v0，则增大微结构单元厚度，按t2＝1.1t1，t3＝1.1t2，...进行迭代，直至满足f1>f0，且v1<v0；否则，进行步骤k；j.若f1>f0，且v1≥v0，则减小微结构单元厚度，按t2＝0.9t1，t3＝0.9t2，...进行迭代，直至满足f1>f0，且v1<v0；否则，进行步骤k；k，增大微结构单元层级数量，按n2＝n1+1，n3＝n2+1，...进行迭代，直至f1>1.3f0或1.5f0，然后减小微结构单元厚度，按t2＝0.9t1、t3＝0.9t2进行迭代，直至满足f1>f0，且v1<v0。...

【技术特征摘要】
1.一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构确定方法，其特征在于，该超结构用于异质结构中待连接结构的连接，包括：多级微结构；每一级微结构包括多个微结构单元；所述多级微结构由外向内分布，各级微结构具有自相似特征每级微结构在面内形成的包络线与异质结构的面内外形轮廓线均具有几何相似关系，该超结构确定方法包括如下步骤：步骤1)、建立有限元分析模型，所述有限元分析模型为包括第一结构板、第二结构板，以及刚性连接于所述第一结构板和所述第二结构板之间的超结构的模型；在该模型中，所述第二结构板与有效载荷刚性连接；其中，第一结构板的材料热膨胀系数为α1，第二结构板的材料热膨胀系数为α2，且α1≥α2；第一结构板和第二结构板在面内方向的内切圆直径分别记为D1和D2，且Dmin＝Min(D1,D2)；所述超结构中，微结构单元厚度的初始设计值为：t1＝Min(3Dmin/1000，d)，d为预先设定的厚度；微结构单元宽度和高度预先设定为w＝t1/0.075，h＝t1/0.015；微结构单元相邻环向间距dθ＝1.25w；微结构单元径向层级数的初始设计值n1＝10；步骤2)、根据超结构使用时的位移约束情况，施加位移边界条件，进行模态计算，获得一阶固有频率f1；步骤3)、根据在轨温度工况，施加温度场载荷，进行惯性释放设置，进行热变形计算，获得第二结构板的法向翘曲变形v1；步骤4)、将模态计算结果和热变形计算结果分别与一阶固有频率约束值f0和结构翘曲约束值v0进行比较，若f1>f0，且v1<v0，则超结构设计参数满足使用需求，超结构的构型设计方案完成；否则，进行步骤i、j或...

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，张啸雨，曾惠忠，赵云鹏，罗文波，高峰，王耀兵，张龙，雷红帅，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11